Д.б.н. Е.С. Панцхава, зам. генерального директора, ЗАО Центр «ЭкоРос»,
член Президиума Комитета по возобновляемым источникам энергии России, г. Москва
Биоэнергетика в последние 10-15 лет стала самостоятельной отраслью «большой» энергетики. Во многих странах мира (страны Европейского Союза (ЕС), Индия, Китай, Бразилия и др.) ее вклад в энергобаланс превышает суммарный вклад остальных возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Скорость прироста вклада биомассы в мировой энергетический баланс, как видно из таблицы, существенно меньше, чем у других видов возобновляемых источников. Однако уже в 2001 г., при общем производстве энергии в мире соответствующем 10 млрд т н.э. (1 т н.э. (нефтяного эквивалента) = 1,43 т у.т. — прим. ред.) вклад биомассы составил 1,1-1,2 млрд т н.э., а суммарный вклад всех ВИЭ — 1,36 млрд т н.э. По прогнозам специалистов, к 2040 г. общее потребление энергии в мире достигнет 13,5 млрд т н.э. (100%), вклад всех ВИЭ — 6,44 млрд т н.э. (47,7%), вклад биомассы — 3,21 млрд т н.э. (23,8%). ЕС к 2010 г. планирует довести вклад биоэнергетики в общий баланс производства энергии до 12%, что, с одной стороны, будет способствовать защите окружающей среды, особенно от транспортных выбросов, а с другой — уменьшению зависимости ЕС от импорта энергоносителей. Это может негативно отразиться на экспорте энергоносителей из России, но наша страна в состоянии восполнить возможные потери в экспорте традиционных энергоносителей производством и экспортом экологически чистых видов топлива. Основные направления использования биомассы в энергетике — это производство пеллет (горючих брикетов) и древесной щепы (для прямого сжигания), газификация и пиролиз (био-сингаз, метанол для транспорта), производство этанола, биодизельного топлива, биоводорода и биогаза.
Использование древесины и соломы злаковых культур для производства пеллет
Россия, в которой сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса (82 млрд м3 или 41 млрд т древесины), может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет(прессованных гранул из отходов предприятий деревообработки) для Европы и других стран. Лес в России занимает 2/3 территории -1,2 млрд га. Без нанесения ущерба лесным плантациям можно ежегодно перерабатывать для энергетики, как минимум, до 0,16% или 130 млн м3, т.е. 65 млн т. Энергоемкость этого объема древесины равна 1,1 . 1018 Дж. Стоимость экспорта такого количества топлива может составить 3,9 млрд евро/год, но для этого требуются очень крупные инвестиции в создание производственных мощностей и инфраструктуры.
Для производства пеллет также может использоваться солома злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн т. При использовании для получения пеллет только половины этой массы можно получить за счет экспорта до 1,2 млрд евро.
Производство пеллет включает в себя 5 основных стадий: складирование и подготовка сырья, его сушка до влажности 18-19%, прессование, охлаждение, упаковка и складирование. Энергосодержание древесных пеллет составляет 17-18 МДж/кг (3 м3 древесных пеллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м3 нефти), плотность — 650-700 кг/м3, диаметр — 6-16 мм, длина — 20-30 мм; содержание золы — 0,4-1,0%, влажность — 7-12%.
В свою очередь, пеллеты могут применяться для получения биосингаза и биоводорода, производства метанола, газификации.
Производство газового топлива из твердой биомассы
Кроме традиционного прямого сжигания древесного топлива в котельных установках существуют технологии получения газового топлива из твердой биомассы, такие как пиролиз и газификация.
Пиролиз -термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 ОС, которая позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать 140-180 кг древесного угля, не содержащего вредных примесей и используемого для получения лучших сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов (метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов) и 80 кг горючих газов (метана, моноокиси углерода, водорода).
Газификация — сжигание биомассы при температуре 900-1500 ОС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтезгаза (биосингаза), состоящего из смеси моноокиси углерода, водорода, и стеклообразной массы (7-10% от массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация является более прогрессивным и экономичным способом использования биомассы в целях получения тепловой энергии, чем пиролиз.
В этой области биоэнергетики Россия имеет определенные реальные успехи в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, соломы, ТБО и др.). Из 1 кг пеллет можно получить около 0,6 кг биосингаза (0,28 кг н.э.). При переработке указанных выше потенциальных объемов древесины и соломы методами газификации можно получать в год до 85 млрд м3 биоcингaзa на сумму 15 млрд евро.
Производство этанола
Этанол (С2Н5OН) — продукт спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодер-жащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса (сахарный тростник) или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы, риса.
Широкий интерес в мире к жидкому биотопливу (особенно к этанолу) для использования на транспорте значительно увеличился с 1970 по 1990 гг. В настоящее время интерес к жидкому топливу имеет тенденцию к продолжению роста из-за высоких цен на нефть, а также экологических аспектов.
Современное мировое производство этанола: 4 млн м3 — пищевой этанол, 8 млн м3 — этанол для химической промышленности, 20 млн м3 -топливный этанол. В двигателях внутреннего сгорания используется 26% этанола в смеси с бензином, в дизельных — 3%.
Производство биоводорода
Биоводород из биомассы можно получать путем бутилового или ацетонобутилового брожения сахарозы или крахмала. При этом из 1 т мелассы образуется 80 м3 водорода. Это означает, что с 1 га плантаций сахарной свеклы можно получить до 140 м3 водорода. Дополнительно к водороду из 1 т мелассы можно получить до 114 кг бутанола и до 36 кг ацетона.
Биоводород представляет собой превосходное чистое топливо. Его энергоемкость на единицу веса в 3 раза выше, чем у нефти. В процессе сгорания биоводород в отличие от всех углеродсодержащих видов топлива, не выделяет углекислого газа в атмосферу.
В СССР до конца 70-х годов ХХ столетия в эксплуатации находилось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талице (Свердловской области) и Ефремове (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы. Ефремовский завод производил до 15 тыс. т растворителей и до 8,7 млн м3 водорода в год, а Грозненский завод — до 22 тыс. т растворителей и 12,9 млн м3 водорода в год. К сожалению, весь образующийся водород в то время выпускался в атмосферу.
Производство биодизельного топлива
Биодизельное топливо — результат переработки растительных масел. По прогнозу, к 2020 г. мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн т. В Европе дизельное топливо получают из рапсового масла (1-1,5 т/га). Растительное масло эритрифици-руется метанолом (1 т масла, 100 кг метанола, 100 кг глицерина) и добавляется в количестве 5% к традиционному дизельному топливу. Однако современные дизельные двигатели могут работать на 100% биодизельном топливе.
Россия имеет все возможности для выработки растительных масел с целью производства и экспорта биодизельного топлива. В 2000 г. в стране было произведено более 4 млн т растительных масел. Для получения растительных масел у нас используется подсолнечник, лен, горчица, в меньших количествах — кукуруза, соя и рапс. Среди них ведущее место занимает подсолнечник. Перспективно для России расширение посевов льна в средней полосе, а также подсолнечника, сои и рапса в Южных регионах. Так, например, стоимость рапсового масла, полученного в Башкирии в 2005 г., не превышала 4 руб./л.
Производство биогаза
Биогаз (55-75% метана, 25-45% CO2) получают метановым брожением биомассы (80-90% влажности). Теплотворная способность биогаза составляет от 5 до 7 Мкал/м3 и определяется концентрацией метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизи-кохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на 1 т абсолютно сухого вещества составляет 250-350 м3 для отходов крупного рогатого скота, 400 м3 для отходов птицеводства, 300-600 м3 для различных видов растений, до 600 м3 — для отходов спиртовых и ацетонобути-ловых заводов.
Например, переработка 1 т отходов крупного рогатого скота (85% влажности) позволяет получить до 40 м3 биогаза, содержащего 55-60% метана (22-24 МДж/нм3) и 40-45% СО2, а также органические удобрения.
Больше всего крестьянских биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн. Они производят около 7 млрд м3 биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза принадлежит Дании — биогаз занимает до 18% в ее общем энергобалансе.
К производству биогаза относится также получение газа из мусора со свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для ТБО с целью извлечения из них биогаза для производства электрической и тепловой энергии.
Заключение
Создание широкомасштабной биоэнергетической индустрии требует наличия в любой стране следующих ее основных составляющих:
□ апробированных на практике промышленных технологий производства биотоплива и его конверсии в технические виды энергии;
□ масштабной сырьевой базы;
□ производственных мощностей для создания высокорентабельного и надежного оборудования и его востребованности внутренним рынком.
Россия располагает всеми вышеперечисленными условиями и имеет все необходимое для интенсивного развития биоэнергетики в ближайшие годы, т.к. эта отрасль энергетики связывает воедино энергетику (локальную), охрану окружающей среды (решение серьезных проблем экологии) и агропромышленное производство. Сырьевой базой являются прежде всего органические отходы агропромышленного комплекса, городов и лесопереработки.
Исследования, проведенные Институтом энергетической стратегии по качественному и количественному анализу этой сырьевой базы по 20 номинантам, показали, что в настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн т (260 млн т по сухому веществу): животноводство — 350 млн т, птицеводство — 23 млн т, растениеводство — 220 млн т, отходы перерабатывающей промышленности -30 млн т, ТБО — 56 млн т, осадки сточных вод -12 млн т. Валовое энергосодержание этого объема отходов равно 92-93 млн т у.т. (технический потенциал составляет 90,4 млн т у.т., экономический потенциал — 53,3 млн т у.т.). Около 20% потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства, 58% — на растениеводство, 7,9% — на отходы перерабатывающей промышленности, 11,9% — на ТБО и 1,2% — на осадки сточных вод.
Из этого количества отходов можно ежегодно получать до 58 млрд м3 биогаза (46 млн т у.т.), до 90 млн т пеллет или 75 млн т биосингаза, который можно конвертировать в 160 млрд м3 водорода, а также получить до 330 тыс. т этанола или до 88 млн м3 водорода и до 165 тыс. т растворителей (бутанола и ацетона). Следовательно, Россия имеет все возможности для интенсивного развития практически всех современных направлений использования биомассы в энергетике с последующим экспортом отдельных видов биоэнергоносителей — в первую очередь, пеллет и транспортного этанола.